(1.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海 200240; 2.第一飛機設(shè)計研究院，西安 710089)

0 引言

民機故障預(yù)測與健康管理(簡稱PHM)技術(shù)是保證飛機運營安全、實現(xiàn)飛機基于狀態(tài)維修和降低飛機運營經(jīng)濟性的關(guān)鍵技術(shù)，在技術(shù)層次上涉及總體技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)等領(lǐng)域，在應(yīng)用上又涉及機載、地面、航空公司運營管理/維護支持、工業(yè)部門客服等。因此，民機PHM技術(shù)設(shè)計跨專業(yè)、跨部門的協(xié)同，因此需要詳細規(guī)劃、系統(tǒng)研究[1-3]。

既往國內(nèi)對PHM技術(shù)的研究多集中于PHM基礎(chǔ)技術(shù)方面，如故障預(yù)測與健康管理的模型如何建立、以及建模工具等方面；在“十二五”期間，工信部組織專家按6個專業(yè)方向編制了民機科研的規(guī)劃，其中涉及PHM技術(shù)的有4個專業(yè)組。各專業(yè)的先行研究使得目標(biāo)和結(jié)果表現(xiàn)得沖突且重疊，最終的成果形式難以在飛機的工程研制中得以應(yīng)用。主要原因是在頂層設(shè)計，PHM技術(shù)研究缺乏成體系的頂層架構(gòu)、功能定義、指標(biāo)體系、功能組成等技術(shù)方面的研究，造成具體技術(shù)的研究目標(biāo)不清晰。為此，需先行研究飛機PHM的頂層架構(gòu)設(shè)計技術(shù)[4-5]。

1 總體思路及研究內(nèi)容

1.1 總體思路

現(xiàn)在PHM的技術(shù)研究五花八門，各成體系但卻沒有實質(zhì)性進展，主要是因為缺少PHM系統(tǒng)的頂層架構(gòu)。頂層架構(gòu)是PHM系統(tǒng)技術(shù)研究的基礎(chǔ)，可以依此來規(guī)范和指導(dǎo)飛機PHM系統(tǒng)的設(shè)計。

在基于模型的系統(tǒng)工程中, 最基本的要素是要滿足使用的需求。因此，PHM頂層架構(gòu)技術(shù)研究也從需求開始，通過使用需求來確定架構(gòu)的功能，再由功能分析來確定實現(xiàn)構(gòu)型，將功能構(gòu)型進行綜合確定總體架構(gòu)。通過仿真驗證，架構(gòu)又能涵蓋功能，功能又能滿足使用，就證明這是一個工程實用的頂層架構(gòu)。

因此，我們需要在使用結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)的功能要求，按照功能要求逐項對每個功能進行實現(xiàn)構(gòu)型分析，然后將每個構(gòu)型進行綜合，形成民機PHM系統(tǒng)的頂層架構(gòu)。然后，與功能進行反復(fù)疊代、不斷完善，最終確定民機PHM系統(tǒng)的頂層架構(gòu)?？偟难芯克悸啡鐖D1所示。

圖1 研究思路

1.2 PHM的使用場景及需求分析

PHM系統(tǒng)的使用場景：PHM連續(xù)監(jiān)控裝備的使用、健康和安全，檢測部件或分系統(tǒng)的性能降級情況，然后隔離故障，預(yù)計失效時間，并計劃需要完成的必要維修工作。在裝備返回基地之前，把需要進行的維修活動信息通過數(shù)據(jù)鏈傳給后勤，使其提前做好準(zhǔn)備。

PHM系統(tǒng)的通常組成分為機上健康檢測和地面維護管理系統(tǒng)兩個部分。根據(jù)PHM系統(tǒng)的特殊性，按照使用/維護場景進行劃分，其通常包括6個節(jié)點：

1)客服的使用狀態(tài)實時監(jiān)控平臺和產(chǎn)品支援、設(shè)計/支持團隊的熟化工具等；

2)機上PHM系統(tǒng):連接機上-地面PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；

3)地面健康管理平臺；

4)航空公司的地面運營管理系統(tǒng)；

5)地面健康管理平臺/航空公司的;

6)地面運營管理系統(tǒng)-使用狀態(tài)實時監(jiān)控平臺的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

在飛機的飛行過程中，通過機載PHM系統(tǒng)節(jié)點2)對飛機的狀態(tài)進行監(jiān)控，并對所有系統(tǒng)的故障信息自動進行相互關(guān)聯(lián)，確認并隔離故障，最終形成維修信息和供飛行員使用的知識信息，通過節(jié)點4)傳送給地面航路點的數(shù)據(jù)站點，由航路點網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳送給地面健康管理平臺(節(jié)點3))，地面健康管理平臺(節(jié)點3))和航空公司的地面運營管理系統(tǒng)(節(jié)點4))據(jù)此來判斷飛機的安全性，安排飛行任務(wù)，實施技術(shù)狀態(tài)管理，更新飛機的狀態(tài)記錄，調(diào)整使用計劃，生成維修工作項目，以及分析整個機群的狀態(tài)。而客服團隊(節(jié)點1))則根據(jù)地面健康管理平臺/航空公司的地面運營管理系統(tǒng)-使用狀態(tài)實時監(jiān)控平臺的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)(節(jié)點f))所傳的使用狀態(tài)信息，提供產(chǎn)品支援和產(chǎn)品熟化(節(jié)點1))。

1.3 研究內(nèi)容

以總體思路為牽引，根據(jù)飛機的維護使用場景及需求分析，PHM頂層架構(gòu)設(shè)計技術(shù)主要涉及以下5項研究內(nèi)容：

1)PHM系統(tǒng)適航技術(shù)研究；

2)PHM系統(tǒng)頂層架構(gòu)研究及功能定義技術(shù)研究；

3)機載PHM系統(tǒng)架構(gòu)及功能布局研究；

4)PHM地面支持系統(tǒng)架構(gòu)定義及參數(shù)定義技術(shù)研究；

5)PHM系統(tǒng)頂層架構(gòu)仿真技術(shù)研究。

2 技術(shù)方案

2.1 民機PHM系統(tǒng)適航技術(shù)

雖然PHM技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展，但目前還沒有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定PHM在飛機上的使用[5-8]。在適航方面，PHM需要解決兩個問題：

1)PHM功能合格審定或批準(zhǔn)的方式；

2)PHM如何影響飛機、系統(tǒng)或機體的合格審定，從初始適航到持續(xù)適航。

由于PHM的功能目前仍作為咨詢系統(tǒng)來考慮，所以PHM不涉及飛行安全，研制功能以研制保證等級(DAL)E級來審定；PHM對飛機系統(tǒng)和機體合格審定的影響目前還沒有相應(yīng)的規(guī)章，主要參數(shù)是結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)安全性評估的影響。

初始適航方面，PHM對系統(tǒng)的影響需要關(guān)注的標(biāo)準(zhǔn)主要是有PHM功能的CS.25 1309 解釋材料、涉及到PHM的系統(tǒng)研制的ARP的使用以及PHM功能研制ARP的使用；PHM對機體的影響需關(guān)注的標(biāo)準(zhǔn)主要是有PHM功能機體的CS25.302解釋材料、有PHM功能機體的CS25.571 解釋材料、與PHM相對的MSG3 過程。

持續(xù)適航方面，PHM需要關(guān)注事件報告相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，需要對事件報告、糾正措施及事件報告信任水平三個方面進行關(guān)注；同時應(yīng)關(guān)注PHM對使用限制的影響，關(guān)注ALS的第1到第4部，以及可能的第6部分；再次，PHM也應(yīng)關(guān)注與維修相關(guān)的145部標(biāo)準(zhǔn)，所有地面設(shè)備145部要求定義的將是PHM地面設(shè)備的最低要求。

2.2 民機PHM系統(tǒng)頂層架構(gòu)研究及功能定義技術(shù)研究

PHM系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)組成上來說包括三個部分：

1)機載PHM系統(tǒng)部分；

2)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)部分；

3)地面PHM系統(tǒng)部分。

其功能的實現(xiàn)依賴于三個組成部分的相互協(xié)調(diào)配合，三個組成部分各自實現(xiàn)的總體功能如下：

1)機載PHM系統(tǒng)部分：通過有限的傳感器收集飛機相關(guān)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的信息，能夠進行故障檢測和初步故障診斷。

2)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)部分：通過空地實時數(shù)據(jù)鏈路，在飛行過程中實時傳輸關(guān)鍵參數(shù)和信息；通過地面無線網(wǎng)絡(luò)，在飛機落地后傳輸大量數(shù)據(jù)信息。

3)地面PHM系統(tǒng)部分：在機上系統(tǒng)進行初步的故障診斷的基礎(chǔ)上，利用接收到的數(shù)據(jù)和信息，進行實時監(jiān)控與健康管理應(yīng)用。地面PHM系統(tǒng)屬實時和事后處理系統(tǒng)，負責(zé)完成對機載PHM系統(tǒng)提交的數(shù)據(jù)、信息和結(jié)論進行綜合、仿真、評估、決策和優(yōu)化。對于機載PHM系統(tǒng)所需的與維修管理、備件供應(yīng)和人員培訓(xùn)等有關(guān)的需求做出恰當(dāng)?shù)?、及時的和決策性的響應(yīng)，并同時將有用的信息通過聯(lián)合分布式信息系統(tǒng)向飛機設(shè)計系統(tǒng)反饋，并在同型號飛機之間共享。

民機PHM系統(tǒng)頂層架構(gòu)研究及功能定義技術(shù)研究主要明確了民機PHM系統(tǒng)的使用結(jié)構(gòu)、功能定義及與之配套的頂層架構(gòu)，包括其組成、大致的連接關(guān)系等，使民機PHM系統(tǒng)研制、民機PHM技術(shù)研究及應(yīng)用有一個總體的框架，為形成規(guī)范體系奠定了基礎(chǔ)，如圖2所示。

圖2 民機PHM系統(tǒng)的頂層架構(gòu)圖

PHM能使飛機診斷自身的健康狀況，在事故發(fā)生前預(yù)測故障，并且給出使飛機維修時間最少的解決辦法。傳統(tǒng)上，空客、波音等國外民機公司主要依靠其供應(yīng)商提供飛機健康維護系統(tǒng)以及其他集成商要求的性能參數(shù)/對象。一般系統(tǒng)的OMS被其作為一個黑盒子被集成在飛機層面，一般具有CMS和狀態(tài)監(jiān)控功能。對于更特殊的PHM，并無具體要求，現(xiàn)代PHM的概念通常是指利用傳感器來采集飛機及系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)信息，借助各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)來診斷飛機及系統(tǒng)的健康狀態(tài)，因此，結(jié)合國內(nèi)外民機相關(guān)PHM系統(tǒng)分析，根據(jù)民機PHM使用需求和功能需求，它應(yīng)具有狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、預(yù)測以及健康管理4大能力，如圖3所示。

圖3 民機PHM系統(tǒng)功能圖

PHM系統(tǒng)指標(biāo)體系再加上一些定性描述,基本涵蓋了PHM系統(tǒng)的4大功能，其中，數(shù)據(jù)采集頻率、誤報與漏報率、數(shù)據(jù)存儲容量分別對應(yīng)狀態(tài)監(jiān)控功能中的數(shù)據(jù)采集功能、在線告警功能和數(shù)據(jù)存儲與管理子功能；故障檢測率和故障隔離率分別對應(yīng)故障診斷功能中的故障檢測和隔離子功能；預(yù)測精度是PHM預(yù)測功能的度量單位；最后，用數(shù)據(jù)加卸載時間和使用可用度來反映健康管理功能。

2.3 民機機載PHM系統(tǒng)架構(gòu)及功能布局研究

民機機載PHM系統(tǒng)架構(gòu)及功能布局研究是參照空客、波音民機機載PHM系統(tǒng)的布局，研究民機機載PHM系統(tǒng)架構(gòu)及功能布局，定義以ATA章節(jié)為對象背景的機載PHM系統(tǒng)架構(gòu)及功能模塊，進而定義監(jiān)控參數(shù)及設(shè)計流程。

本研究內(nèi)容是通過對國外典型民機型號(B747、A380等)的機載PHM系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和原理進行深入研究，采用共性技術(shù)提取、兼容民機機載功能系統(tǒng)的固有測試性設(shè)計，使機載PHM系統(tǒng)做到功能相對獨立，解決了機載PHM系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)問題[6-9]。

機載PHM系統(tǒng)的組成主要分布在ATA章節(jié)中，其中主要有23章通信、31章指示和記錄系統(tǒng)、42章集成模塊化航空電子、45章中央維護系統(tǒng)、46章信息系統(tǒng)。機載PHM系統(tǒng)的組成如圖4所示。

圖4 機載PHM系統(tǒng)組成圖

2.4 PHM地面支持系統(tǒng)架構(gòu)定義技術(shù)研究

民機運行地面PHM系統(tǒng)的最終目的是要實現(xiàn)對飛機健康狀況及時、有效、準(zhǔn)確的把握，以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)預(yù)防性維護和視情維修。各相關(guān)模塊系統(tǒng)主要完成實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、高級診斷、數(shù)據(jù)加卸載及技術(shù)狀態(tài)管理以及預(yù)測、機隊健康管理、維修決策等基本功能，具體功能架構(gòu)如圖5所示。

圖5 PHM地面支持系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

2.5 PHM系統(tǒng)頂層架構(gòu)仿真技術(shù)研究

為了減少風(fēng)險、提高可靠性、降低系統(tǒng)成本，需要先建立一個民機PHM架構(gòu)的研究仿真平臺，有效驗證系統(tǒng)PHM架構(gòu)的合理性、可行性和擴展性[10-11]。

通過對PHM功能組成(狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、診斷、壽命分析、機隊管理)和功能布局(機載PHM系統(tǒng)、地面PHM系統(tǒng)、地空數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、機場維護保障系統(tǒng))，實現(xiàn)了對PHM頂層結(jié)構(gòu)的仿真；仿真驗證平臺通過仿真運行數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計注入的故障激勵數(shù)據(jù)在實際運行中的結(jié)果，得出故障檢測率、隔離率、虛警率、健康度等性能指標(biāo)和費效比評價的方法，實現(xiàn)了對PHM頂層架構(gòu)的驗證評價；通過對飛行過程仿真、PHM功能仿真和驗證評價軟件模塊的集成調(diào)試和任務(wù)激勵，實現(xiàn)了PHM功能使用過程的演示。仿真驗證系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 民機PHM系統(tǒng)仿真驗證平臺

仿真驗證演示平臺將通過3臺計算機、若干顯示器和一臺無線路由組成。其中三臺計算機分別仿真任務(wù)配置和評價系統(tǒng)、仿真機上狀態(tài)監(jiān)控和地面健康管理系統(tǒng)；顯示器包括多功能告警顯示器、狀態(tài)監(jiān)控顯示器和維修控制中心顯示器；PHM仿真系統(tǒng)各個設(shè)備之間通過以太網(wǎng)和無線WIFI方式進行連接。

通過飛機PHM總體架構(gòu)仿真技術(shù)研究，可實現(xiàn)如下技術(shù)指標(biāo)：

1)飛機PHM系統(tǒng)頂總體構(gòu)仿真可模仿飛機PHM系統(tǒng)的使用或應(yīng)用流程，包括機載子系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)、地面PHM系統(tǒng)、地空數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、機場維護保障系統(tǒng)等；

2)實現(xiàn)飛機故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)主要功能仿真，完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、診斷、壽命分析、機隊管理等環(huán)節(jié)；

3)在架構(gòu)確定的情況下，參照系統(tǒng)定義和系統(tǒng)參數(shù)類型完成對飛機故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)使用架構(gòu)的仿真；在任務(wù)的驅(qū)動下，模擬飛機的使用、維修和保障過程，實現(xiàn)對整個架構(gòu)系統(tǒng)組成的驗證演示；仿真驗證平臺通過仿真運行數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計注入的故障激勵數(shù)據(jù)在實際運行中的結(jié)果，對運行數(shù)據(jù)進行收集和統(tǒng)計分析，得出故障檢測率、隔離率、虛警率、健康度等性能指標(biāo)的設(shè)計來驗證PHM頂層架構(gòu)的是否合理；

4)仿真驗證平臺通過配置管理系統(tǒng)可實現(xiàn)對架構(gòu)、子系統(tǒng)及參數(shù)的加載替換功能實現(xiàn)可擴展性，同時仿真驗證平臺友好界面可隨時查詢相關(guān)的參數(shù)信息，具有開放性。

通過飛機PHM總體架構(gòu)仿真驗證平臺的研制可驗證故障預(yù)測與健康管理總體架構(gòu)具有合理性、適用性和工程可實現(xiàn)性。

3 結(jié)束語

本文的研究內(nèi)容突破了民機PHM系統(tǒng)頂層架構(gòu)設(shè)計技術(shù)，初步確定我國民機PHM系統(tǒng)頂層架構(gòu)、機載PHM系統(tǒng)架構(gòu)、PHM地面支持系統(tǒng)架構(gòu)等，初步形成民機PHM系統(tǒng)頂層架構(gòu)的適航建議，能夠為我國民機廣泛采用PHM系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用提供技術(shù)基準(zhǔn)，為國內(nèi)民機PHM系統(tǒng)技術(shù)的其他相關(guān)研究提供指導(dǎo)。

本文的研究成果和經(jīng)驗應(yīng)用將使民機PHM系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究有了指導(dǎo)性的框架和范圍，建立國內(nèi)民機PHM技術(shù)應(yīng)用、工程研制的體系，保證架構(gòu)能夠在持續(xù)適航的支持下發(fā)展，對民機PHM總體架構(gòu)、功能分配以及定義的規(guī)范進行閉環(huán)仿真模擬，確定架構(gòu)的適用性、合理性、可行性，形成的相關(guān)技術(shù)成果可以直接用于民用飛機PHM系統(tǒng)的設(shè)計研制。